Metanol hjälper forskare förstå universums magnetfält

Under ett halvsekel har många molekyler upptäckts i rymden. Med hjälp av radioteleskop har astronomer kunnat studera dessa molekyler och med därmed undersöka vad som pågår i de täta, mörka molnen där nya stjärnor och planeter föds.

På sådana platser kan temperatur, tryck och gasrörelser alla mätas upp tack vare signaturerna som molekylerna lämnar i radiosignalerna som molnen avger. För att kunna förstå hur de tyngsta stjärnor bildas behöver forskare också mäta upp magnetfält, men det har länge varit en betydligt svårare uppgift.

Magnetfält spelar stor roll
Boy Lankhaar, doktorand i astronomi vid Chalmers som lett projektet, berättar:

– Vi vet att när de största och tyngsta stjärnorna föds så spelar magnetfält en viktig roll. Men just hur magnetfälten påverkar processen debatteras bland forskare. Därför behöver vi sätt att mäta upp magnetfälten, och det är en rejäl utmaning. Nu tack vare våra nya beräkningar vet vi hur vi kan göra det med hjälp av metanol, säger han.

Magnetfält spelar en viktig roll i de områden i rymden där de flesta massiva stjärnor föds. I den här illustrationen visas omgivningarna hos en nyfödd, tung stjärna, och de ljuspunkterna där radiosignaler från metanol kan upptäckas. De ljusa prickarna i bilden pekar ut så kallade metanolmasrar – naturliga lasrar som är vanligt förekommande i de täta gasmolnen där tyngre stjärnor bildas. De böjda linjerna representerar magnetfältet. Tack vare nya beräkningar kan astronomer nu börja undersöka magnetfält i rymden genom att mäta upp radiosignaler från metanolmolekylerna i dessa ljusstarka källor. Bild: Wolfgang Steffen/Boy Lankhaar m. fl. (molekyler: Wikimedia Commons/Ben Mills)

Idén om att kunna använda mätningar av metanol (CH3OH eller träsprit) i rymden för att utforska magnetfält lanserades för många decennier sedan. I den täta gasen som omger många nyfödda stjärnor lyser metanolmolekyler starkt i form av så kallade masrar – naturliga mikrovågslasrar i rymden. De signaler som kan registreras av radioteleskop från sådana metanolmasrar är både mycket starka och sänds ut vid mycket specifika frekvenser.

Hjälper forskarna tolka
– Masersignalerna sänds dessutom ut från de områden där magnetfälten har mest att berätta för oss om hur stjärnor bildas. Med vår nya förståelse för hur metanol påverkas av magnetfält kan vi äntligen börja tolka det som vi ser, säger Wouter Vlemmings, astronom vid Chalmers och medlem i teamet.

Tidigare försök att mäta upp metanolets magnetiska egenskaper har drabbats av problem. Istället bestämde sig Boy Lankhaar och hans kollegor för att bygga en teoretisk modell, och såg till att den stämde överens både med tidigare teoretiska arbeten och med laboratoriemätningar.

– Vi utvecklade en modell av hur metanol beter sig i magnetfält med startpunkt i kvantmekanikens principer. Snart fann vi att de teoretiska beräkningarna stämde väl överens med de experimentella mätningarna som fanns tillgängliga. Då kände vi oss tillräckligt säkra för att extrapolera till de förhållandena som vi förväntar oss i rymden, förklarar Boy Lankhaar.

Svårare än forskarna trott
Uppdraget visade sig ändå vara krävande. Teamets teoretiska kemister, Ad van der Avoird och Gerrit Groenenboom, båda vid Radboud-universitetet i Nijmegen, Nederländerna, behövde göra nya beräkningar och rätta tidigare arbeten.

– Eftersom metanol är en relativt enkel molekyl tänkte vi först att projektet skulle vara lätt. Istället blev det väldigt komplicerat eftersom vi behövde räkna fram metanolets egenskaper på ett mycket noggrant sätt, berättar Ad van der Avoird.

De nya resultaten öppnar upp nya möjligheter för forskare som vill förstå universums magnetfält. De visar dessutom hur problem kan lösas inom astrokemin – där forskningsområdena astronomi och kemi möts.

Öppnar för nya upptäckter
Huib Jan van Langevelde, astronom vid Joint Institute for VLBI Eric och Leiden-universitetet, samt medlem i forskarlaget, förutspår nya upptäckter framöver.

– Det är otroligt att så detaljerade beräkningar behövs för att avslöja den molekylära komplexiteten som vi behöver för att tolka de mycket precisa mätningar som vi gör med dagens bästa radioteleskop. I framtiden kommer vi att behöva både experter inom kemi och inom astrofysik för att göra nya upptäckter om molekyler, magnetfält och stjärnbildning, säger han.

Artikeln:
Characterization of methanol as a magnetic field tracer in star-forming regions, tidskriften Nature Astronomy, av Boy Lankhaar (Chalmers), Wouter Vlemmings (Chalmers), Gabriele Surcis (Joint Institute for VLBI Eric, Nederländerna, och Inaf, Osservatorio Astronomico di Cagliari, Italien), Huib Jan van Langevelde (Joint Institute for VLBI Eric, Nederländerna, och Leiden-universitetet, Nederländerna), Gerrit C. Groenenboom och Ad van der Avoird (Institutet för molekyler och material, Radboud-universitetet, Nijmegen, Nederländerna).

Kontakt:
Boy Lankhaar, doktorand, Institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap, Chalmers, boy.lankhaar@chalmers.se, +46 31 772 55 42

År 2015 tilldelades Boy Lankhaar Kungliga nederländska kemisällskapets Golden Master-pris för sitt examensarbete inom detta projekt vid Radboud-universitetet i Nijmegen, Nederländerna.